CN111947382A - 一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统及冷却方法，循环冷却系统包括液冷管道、散热器、冷却液温度控制反馈系统、冷却液流速调节系统以及控制器，液冷管道安装在真空管道磁悬浮列车的车身高温区域，液冷管道的进液端与散热器的出液端连通，液冷管道的出液端与散热器的进液端连通；冷却液温度控制反馈系统用于监测车身高温区域的液冷管道内的冷却液温度，将冷却液温度信息发送至控制器，并根据冷却液温度调节从液冷管道内排出的冷却液的量；冷却液流速调节系统用于根据车身高温区域的冷却液温度调节进入液冷管道内的冷却液流速。该循环冷却系统及冷却方法能够对真空管道磁悬浮列车的车身高温区域进行高效地冷却。

Description

一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统及冷却方法

技术领域

本发明涉及真空管道磁悬浮列车技术领域，具体而言，涉及一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统及冷却方法。

背景技术

目前，真空管道磁悬浮列车以高速度、低阻力和低能耗等特点受到了广泛的关注。但是真空管道是一个相对密闭的空间，当列车以较高的速度运行时，列车车身周围产生的气动热量持续增加，从而严重影响真空管道磁悬浮列车的正常运行。

如今，随着真空管道磁悬浮列车研制的不断深入，发现当列车以较低的速度运行时，列车周围产生的热量相对不高，但当列车以较高速度在真空管道内运行时，列车车身周围产生了极高的热量。由此可见，列车在真空管道内的散热问题极大的限制了真空管道磁悬浮列车的车速。因此，对真空管道磁悬浮列车散热冷却系统的研究具有十分重要的科研价值。

真空管道磁悬浮列车车身结构和管道环境的特殊性，决定了其散热循环冷却系统不能像汽车发动机强制循环水冷系统一样通过散热器直接和外界空气进行热交换，而是将冷却液通过管道回路再次进入冷却系统循环使用。因此，需要对真空管道磁悬浮列车进行有针对性地研究。

在保障车辆总体发热量和车重没有大幅度增加的前提下，为了高效、稳定地降低真空管道磁悬浮列车车身周围的温度，亟待开展对真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统的研究。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统及冷却方法，该循环冷却系统及冷却方法能够结合真空管道磁悬浮列车车身的特点，对列车车身高温区域进行高效地冷却。

为了实现上述目的，本发明提供了一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，包括液冷管道、散热器、冷却液温度控制反馈系统、冷却液流速调节系统以及控制器，液冷管道安装在真空管道磁悬浮列车的车身高温区域，液冷管道的进液端与散热器的出液端连通，液冷管道的出液端与散热器的进液端连通；冷却液温度控制反馈系统与控制器连接，冷却液温度控制反馈系统用于监测车身高温区域的液冷管道内的冷却液温度，将冷却液温度信息发送至控制器，并根据冷却液温度调节从液冷管道内排出的冷却液的量；冷却液流速调节系统与控制器连接，冷却液流速调节系统用于根据车身高温区域的冷却液温度调节进入液冷管道内的冷却液流速。

进一步地，液冷管道在车身高温区域内呈蛇形布置，相邻的管道之间的间距通过模糊控制函数的输出来确定，模糊控制函数的输入变量为车身高温区域的车身面积和温度，模糊控制函数的因变量为相邻的管道之间的间距，模糊控制函数通过车身高温区域的车身面积和温度的隶属度函数确定相邻的管道之间的间距。

进一步地，冷却液温度控制反馈系统包括一温度传感器和一节温器，温度传感器和节温器均与控制器连接；温度传感器安装在液冷管道的壁面上，用于监测液冷管道内的冷却液温度，并将冷却液温度信息发送至控制器；节温器安装在液冷管道的出液端，节温器用于在根据冷却液温度调节从液冷管道内排出至散热器的冷却液的量。

进一步地，冷却液流速调节系统包括一流速阀，流速阀安装在液冷管道的进液端，流速阀与控制器连接，用于根据车身高温区域的液冷管道内的冷却液温度调节进入液冷管道内的冷却液流速。

进一步地，散热器为复合相变材料散热器，散热器内设有多块散热片，散热片由复合相变材料组成，冷却液散热管道埋设在散热片内，冷却液散热管道的两端分别与液冷管道的进液端和出液端连通。

进一步地，散热器内设置有用于对散热片和冷却液散热管道内的冷却液进行降温的轴流式风扇。

进一步地，复合相变材料为石蜡和泡沫铝组成的复合相变材料。

本发明的另一方面，提供了一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却方法，采用上述的循环冷却系统对真空管道磁悬浮列车的车身高温区域进行冷却，该循环冷却方法包括：

通过冷却液温度控制反馈系统监测车身高温区域的液冷管道内的冷却液温度，并将冷却液温度信息发送至控制器，当液冷管道内的冷却液温度高于设定阈值时，冷却液温度控制反馈系统增大从液冷管道内排出的冷却液的量；

当液冷管道内的冷却液温度高于设定阈值时，冷却液流速调节系统增大从散热器进入液冷管道内的冷却液流速。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，通过在真空管道磁悬浮列车的车身高温区域安装液冷管道，将液冷管道与散热器相连接，并设置冷却液温度控制反馈系统、冷却液流速调节系统和控制器；根据车身高温区域的液冷管道内的冷却液温度，通过冷却液温度控制反馈系统调节从液冷管道内排出的冷却液的量，并通过冷却液流速调节系统调节进入液冷管道内的冷却液流速；通过散热器可对冷却液进行快速冷却，实现循环冷却；通过模糊控制函数可使相邻液冷管间距最优化，提高冷却效果；根据列车车身不同部位的高温区域材料属性的不同，采用不同适用温度范围的冷却液，能够在保证不改变列车车身结构强度的前提下，对列车车身高温区域进行快速有效地冷却。该真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统能够结合列车车身的特点，对列车车身高温区域进行高效地冷却。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例的循环冷却系统的结构示意图。

图2为本发明实施例的循环冷却系统中列车高温区域车身面积等级的隶属度函数图。

图3为本发明实施例的循环冷却系统中列车高温区域温度等级的隶属度函数图。

图4为本发明实施例的循环冷却系统中列车高温区域液冷管排列间距的隶属度函数图。

图5为本发明实施例的循环冷却系统中列车高温区域车身面积和温度隶属度函数对应关系图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、液冷管道；2、散热器；3、控制器；4、温度传感器；5、节温器；6、流速阀；21、散热片；22、轴流式风扇。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“一个”或者“一”等类似词语不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

参见图1至图5，一种本发明实施例的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，该循环冷却系统主要包括液冷管道1、散热器2、冷却液温度控制反馈系统、冷却液流速调节系统以及控制器3。其中，液冷管道1安装在真空管道磁悬浮列车的车身高温区域，该液冷管道1的进液端与散热器2的出液端连通，液冷管道1的出液端与散热器2的进液端连通；冷却液温度控制反馈系统与控制器3连接，该冷却液温度控制反馈系统主要用于监测车身高温区域的液冷管道1内的冷却液温度，将冷却液温度信息发送至控制器3，并根据冷却液温度调节从液冷管道1内排出的冷却液的量；冷却液流速调节系统与控制器3连接，该冷却液流速调节系统用于根据车身高温区域的冷却液温度调节进入液冷管道1内的冷却液流速。

上述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，通过在真空管道磁悬浮列车的车身高温区域安装液冷管道1，将液冷管道1与散热器2相连接，并设置冷却液温度控制反馈系统、冷却液流速调节系统和控制器3；根据车身高温区域的液冷管道1内的冷却液温度，通过冷却液温度控制反馈系统调节从液冷管道1内排出的冷却液的量，并通过冷却液流速调节系统调节进入液冷管道1内的冷却液流速。该真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统能够结合列车车身的特点，对列车车身高温区域进行高效地冷却。

进一步地，参见图1至图5，在本实施例中，液冷管道1在车身高温区域内呈蛇形布置，相邻的管道之间的间距(参见图1中d)通过模糊控制函数的输出来确定；其中，模糊控制函数的输入变量为车身高温区域的车身面积和温度，模糊控制函数的因变量为相邻的管道之间的间距；模糊控制函数通过车身高温区域的车身面积和温度的隶属度函数确定相邻的管道之间的间距。列车高温区域车身面积和温度的隶属度函数对应关系图，如图5所示。

具体地，模糊控制器的输入量和输出量的模糊化如下，高温区车身面积的模糊化可以划分为5个模糊集，这5个模糊集分别为：小(S)、中小(MS)、中(M)、中大(ML)、大(L)，隶属度函数如图2所示，图2中纵轴μS表示的是车身面积隶属度值，μS值越接近1表示车身面积属于相应模糊集(S、MS、M、ML、L)的程度越高；高温区温度的模糊化可以划分为5个模糊集，这5个模糊集分别为：低(S)、中低(MS)、中(M)、中高(ML)、高(L)，隶属度函数如图3所示，同样图3中纵轴μT表示的是高温区温度的隶属度值，μT值越接近1表示高温区温度属于相应模糊集(S、MS、M、ML、L)的程度越高；液冷管间距的模糊化可以划分为9个模糊集，这9个模糊集分别为：最小(SSS)、极小(SS)、小(S)、中小(MS)、中(M)、中大(ML)、大(L)、极大(LL)、最大(LLL)，μD隶属度函数如图4所示，同样图4中纵轴μD表示的是液冷管间距的隶属度值，μD值越接近1表示液冷管间距属于相应模糊集(SSS、SS、S、MS、M、ML、L、LL、LLL)的程度越高。

列车车身高温区域的车身面积主要由列车各个发热设备的设备舱的面积来确定，在Matlab的模糊控制器算法模块中，根据高温区域车身面积和温度值来建立相应的隶属度函数(如图2和图3所示)，然后通过模糊控制器函数，进而得到相邻的液冷管间距(参见图1中d)。其中，模糊控制器函数的对应规则如图5所示，相邻液冷管间距隶属度函数如图4所示。通过模糊控制器来确定相邻液冷管间距，能够同时兼顾各个不同高温区域的温度值和车身面积，确定出一种具有最佳散热效果的液冷管道间距值，进而实现对列车各个高温区域的最佳冷却效果。例如，列车某一设备舱温度值较高，而相应的设备舱的车身面积较小时，通过所建立的模糊控制器函数，可以得到一种可实现最佳冷却效果的液冷管间距值。根据列车车身不同高温区域的温度值和车身面积，确定不同的液冷管道间距值。

在本实施例中，冷却液温度控制反馈系统包括一个温度传感器4和一个节温器5。其中，温度传感器4和节温器5均与控制器3相连接；温度传感器4安装在液冷管道1的壁面上，用于监测液冷管道1内的冷却液温度，并将冷却液温度信息发送至控制器3；节温器5安装在液冷管道1的出液端，该节温器5用于在根据冷却液温度调节从液冷管道1内排出至散热器2的冷却液的量。利用该循环冷却系统对真空管道磁悬浮列车的车身高温区域进行冷却时，通过安装在液冷管道1壁面上的温度传感器4来实时监测冷却液的温度，该温度脉冲信号通过反馈回路传递给节温器5，节温器5主要通过电磁阀的开关来控制冷却液的流出量。节温器5能够根据冷却液温度的高低自动调节阀门开度，从而保证液冷管道1中的冷却液处于一个合适的范围之内。当温度传感器4监测到冷却液温度过高时，节温器5通过调节阀门开度，使冷却液流向散热器2进行散热。温度传感器4用来测量冷却液的温度，并将测量的温度信号反馈给系统控制器3，温度传感器4的精度为0℃<±0.15℃，测量范围为-100℃～200℃。

参见图1，在本实施例中，冷却液流速调节系统包括一个流速阀6，该流速阀6安装在液冷管道1的进液端，并且该流速阀6与控制器3相连接，用于根据车身高温区域的液冷管道1内的冷却液温度调节进入液冷管道1内的冷却液流速。该冷却液流速可调系统主要通过安装在列车高温区域的温度传感器4来实时对冷却液温度的实时监测，然后将温度脉冲信号输入到系统的控制器3中，控制器3通过控制流速阀6的阀门开度来实现对冷却液流速的控制，该冷却液流速调节系统能够根据列车高温区域的实际温度，实现高效、稳定的冷却效果。

具体来说，在本实施例中，散热器2为复合相变材料散热器，在该散热器2内设置有多块散热片21，该散热片21由复合相变材料组成，冷却液散热管道埋设在该散热片21内，冷却液散热管道的两端分别与液冷管道1的进液端和出液端连通。从液冷管道1的出液端流出的冷却液进入散热器2内，通过散热器2内的复合相变材料的散热片21对冷却液进行冷却，经冷却后的冷却液又从液冷管道1的进液端返回至液冷管道1内对列车的车身高温区域进行降温冷却，从而实现对列车车身高温区域的循环冷却。

进一步地，在本实施例中，散热器2内还设置有用于对散热片21和冷却液散热管道内的冷却液进行降温的轴流式风扇22。冷却液在散热器2内通过复合相变材料的散热片21和轴流式风扇22的共同作用，对高温状态下的冷却液进行冷却，使冷却液能够快速地进行下一次的冷却循环。具体地，复合相变材料为石蜡和泡沫铝组成的复合相变材料。其中，石蜡的相变温度为44℃，泡沫铝的导热系数为218W/mK。该散热器具有较高的散热效率，能够实现对高温冷却液的迅速降温。

进一步地，可以基于列车车身不同部位的高温区域材料属性的不同，选取不同适用温度范围的冷却液(如不同浓度配比的冷却液)，使其能够在保证不改变列车车身结构强度的前提下，对列车车身高温区域进行快速有效地冷却。

采用本发明的循环冷却系统，对真空管道磁悬浮列车的车身高温区域进行冷却的方法如下：

通过温度传感器4实时监测真空管道磁悬浮列车的车身高温区域的液冷管道1内的冷却液温度，并将冷却液温度信息发送至控制器3；当液冷管道1内的冷却液温度高于设定阈值时，节温器5的阀门开度增大，从而增大从液冷管道1内排出至散热器2的冷却液的量；当液冷管道1内的冷却液温度低于设定阈值时，节温器5的阀门开度减小，从而较少从液冷管道1内排出至散热器2的冷却液的量；

当液冷管道1内的冷却液温度高于设定阈值时，流速阀6的阀门开度增大，从而增大从散热器2进入液冷管道1内的冷却液流速；当液冷管道1内的冷却液温度低于设定阈值时，流速阀6的阀门开度减小，从而减小从散热器2进入液冷管道1内的冷却液流速；

在循环冷却过程中，通过散热器2中的相变复合材料的散热片21和轴流式风扇22，一起对流入散热器2内的冷却液进行快速地降温冷却。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，包括液冷管道(1)、散热器(2)、冷却液温度控制反馈系统、冷却液流速调节系统以及控制器(3)，所述液冷管道(1)安装在真空管道磁悬浮列车的车身高温区域，所述液冷管道(1)的进液端与所述散热器(2)的出液端连通，所述液冷管道(1)的出液端与所述散热器(2)的进液端连通；所述冷却液温度控制反馈系统与所述控制器(3)连接，所述冷却液温度控制反馈系统用于监测车身高温区域的所述液冷管道(1)内的冷却液温度，将冷却液温度信息发送至所述控制器(3)，并根据冷却液温度调节从所述液冷管道(1)内排出的冷却液的量；所述冷却液流速调节系统与所述控制器(3)连接，所述冷却液流速调节系统用于根据车身高温区域的冷却液温度调节进入所述液冷管道(1)内的冷却液流速。

2.根据权利要求1所述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，所述液冷管道(1)在车身高温区域内呈蛇形布置，相邻的管道之间的间距通过模糊控制函数的输出来确定，所述模糊控制函数的输入变量为车身高温区域的车身面积和温度，所述模糊控制函数的因变量为相邻的管道之间的间距，所述模糊控制函数通过车身高温区域的车身面积和温度的隶属度函数确定相邻的管道之间的间距。

3.根据权利要求1所述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，所述冷却液温度控制反馈系统包括一温度传感器(4)和一节温器(5)，所述温度传感器(4)和所述节温器(5)均与所述控制器(3)连接；所述温度传感器(4)安装在所述液冷管道(1)的壁面上，用于监测所述液冷管道(1)内的冷却液温度，并将冷却液温度信息发送至所述控制器(3)；所述节温器(5)安装在所述液冷管道(1)的出液端，所述节温器(5)用于在根据冷却液温度调节从所述液冷管道(1)内排出至所述散热器(2)的冷却液的量。

4.根据权利要求3所述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，所述冷却液流速调节系统包括一流速阀(6)，所述流速阀(6)安装在所述液冷管道(1)的进液端，所述流速阀(6)与所述控制器(3)连接，用于根据车身高温区域的所述液冷管道(1)内的冷却液温度调节进入所述液冷管道(1)内的冷却液流速。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，所述散热器(2)为复合相变材料散热器，所述散热器(2)内设有多块散热片(21)，所述散热片(21)由复合相变材料组成，冷却液散热管道埋设在所述散热片(21)内，冷却液散热管道的两端分别与所述液冷管道(1)的进液端和出液端连通。

6.根据权利要求5所述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，所述散热器(2)内设置有用于对所述散热片(21)和冷却液散热管道内的冷却液进行降温的轴流式风扇(22)。

7.根据权利要求5所述的真空管道磁悬浮列车的循环冷却系统，其特征在于，所述复合相变材料为石蜡和泡沫铝组成的复合相变材料。

8.一种真空管道磁悬浮列车的循环冷却方法，其特征在于，采用如权利要求1-7中任意一项所述的循环冷却系统对真空管道磁悬浮列车的车身高温区域进行冷却，所述循环冷却方法包括：

通过冷却液温度控制反馈系统监测车身高温区域的所述液冷管道(1)内的冷却液温度，并将冷却液温度信息发送至所述控制器(3)，当所述液冷管道(1)内的冷却液温度高于设定阈值时，所述冷却液温度控制反馈系统增大从所述液冷管道(1)内排出的冷却液的量；

当所述液冷管道(1)内的冷却液温度高于设定阈值时，所述冷却液流速调节系统增大从所述散热器(2)进入所述液冷管道(1)内的冷却液流速。

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